Ein Team russischer Forscher der Ural Federal University (UrFU) und der Ural Branch der Russian Academy of Sciences forschen an einer Methode für den 3D-Druck von Miniatur-Permanentmagneten. Damit wollen sie die Kleinserienproduktion von Permanentmagneten ermöglichen. Permanentmagneten kommen in Elektromotoren, Haushalts- und Computerausrüstung und anderen Geräten vor.
Forscher der Ural Federal University (UrFU) und der Ural Branch der Russian Academy of Sciences untersuchen die optimalen Bedingungen für den 3D-Druck von Permanentmagneten aus hartmagnetischen Verbindungen auf Basis von Seltenerdmetallen. Damit wollen sie die Kleinserienproduktion von Magneten in beliebigen Formen ermöglichen sowie die Herstellung komplexer Magnetkonfigurationen.
Diese Magnete eignen sich zum Beispiel für kleine Elektromotoren und elektrische Generatoren für Herzschrittmacher. Produktionsabfälle würden sich mit Nutzung von 3D-Druck reduzieren, ebenso wie der Produktionszyklus. Ihre Arbeit haben die Forscher im Fachmagazin Journal of Magnetism and Magnetic Materials in einem Artikel mit dem Titel „Phase composition and magnetic properties of (Sm,Zr)Fe11Ti magnets produced by selective laser melting“ vorgestellt. Kanadische Forscher präsentierten im Jahr 2018, wie sie mit Kaltgasspritzen Permanentmagneten in 3D drucken konnten.
3D-gedruckte Permanentmagnete
Viele Branchen nutzen Permanentmagnete, da diese über lange Zeit magnetische Feldquellen darstellen. Sie kommen in Elektromotoren, Haushalts- und Computerausrüstung und anderen Geräten vor. Mit traditionellen Herstellungsverfahren sind nur größere Produkte möglich, die über einen Nord- und einen Südpol verfügen. Komplexe und kleine Magnete herzustellen ist hingegen schwieriger, wobei sich der 3D-Druck bei der Fertigung komplex geformter Teile aus hartmagnetischen Materialien als sehr nützlich erweist. Ural-Wissenschaftler konnten optimale Parameter für den 3D-Druck von Permanentmagneten mit selektivem Lasersintern- und Magnetpulver ermitteln.
Dmitry Neznakhin erklärte:
„Kleine Magnete herzustellen ist eine schwierige Aufgabe. Jetzt entstehen sie nur noch durch das Zerschneiden eines großen Magneten, denn durch die mechanische Bearbeitung wird etwa die Hälfte des verwendeten Materials zu Müll. Außerdem führt das Schneiden viele Defekte in die oberflächennahe Schicht ein, was bewirkt, dass sich die Eigenschaften des Magneten enorm verschlechtern. Additive Technologien erlauben es, dies zu vermeiden und komplexe Magnete herzustellen, beispielsweise mit einem Nordpol und zwei räumlich getrennten Südpolen oder einem Magneten mit fünf Südpolen und fünf Nordpolen auf einmal. Solche Konfigurationen sind für Herzschrittmacher notwendig, wo der Rotor für einen Elektromotor nur aus separaten Magneten unter dem Mikroskop zusammengesetzt werden kann.“
Die richtigen Materialien finden
Die Forscher konnten rund einen Millimeter dünne Permanentmagnete herstellen, deren Eigenschaften jenen von industriell gefertigten Magneten ähneln. Als Basis diente ein Pulver aus Samarium, Zirkonium, Eisen und Titan. Diese haben geeignete Eigenschaften für Permanentmagnete, welche sie aber durch traditionelle Herstellungsverfahren oftmals verlieren. Der 3D-Druck soll dabei helfen, dass die Eigenschaften beibehalten werden. Im Moment untersuchen sie, welche magnetischen Werkstoffe sich für den SLS-3D-Druck von Permanentmagneten eignen. Sie prüfen, wie sich das Verfahren auf die Eigenschaften einer bekannten Basis für Magnete, eine Legierung aus Neodym, Eisen und Bor auswirkt. Anschließend wollen sie praxistaugliche Bulk-Permanentmagneten produzieren.
Dmitry Neznakhin ergänzt:
„Bei der Herstellung von Permanentmagneten auf Basis dieser Verbindungen mit traditionellen Methoden sind die Eigenschaften der Endprodukte weit von den theoretisch vorhergesagten entfernt. Wir fanden heraus, dass beim Sintern einer Probe die Zugabe eines schmelzbaren Pulvers aus einer Legierung aus Samarium, Kupfer und Kobalt es ermöglicht, die magnetischen Eigenschaften des Hauptmagnetpulvers beizubehalten. Diese Legierung schmilzt bei Temperaturen, die niedriger sind als die Eigenschaften der Hauptlegierung, weshalb das Endmaterial seine Koerzitivkraft und Dichte behält.“